巧設(shè)物理情境 培養(yǎng)科學(xué)思維*
——以一道高三模擬題的教學(xué)為例

曾長(zhǎng)興

(華中師范大學(xué)龍崗附屬中學(xué) 廣東 深圳 518172)

1 問(wèn)題的提出

中國(guó)高考評(píng)價(jià)體系構(gòu)建的“一核四層四翼”明確提出，情境是實(shí)現(xiàn)“價(jià)值引領(lǐng)、素養(yǎng)導(dǎo)向、能力為重、知識(shí)為基”的綜合考查的載體．《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)》(2017年版2020年修訂)指出，創(chuàng)設(shè)情境進(jìn)行教學(xué)，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng)具有關(guān)鍵作用．高中物理學(xué)科核心素養(yǎng)之一是科學(xué)思維，它主要包括模型建構(gòu)、科學(xué)推理、科學(xué)論證、質(zhì)疑創(chuàng)新等要素[1]．不管是教學(xué)，還是考試，情境化是一個(gè)重要的方向．創(chuàng)設(shè)情境進(jìn)行教學(xué)，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維的意識(shí)和能力具有關(guān)鍵作用．

習(xí)題教學(xué)是高三物理復(fù)習(xí)的一個(gè)“實(shí)踐性”環(huán)節(jié)，更是培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維及規(guī)范答題的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[2]．在高三物理教學(xué)中，習(xí)題課常常變成“講題”課和“做題”課，許多具有深度邏輯關(guān)系、豐富情境內(nèi)涵的習(xí)題，往往沒(méi)有充分挖掘其內(nèi)在價(jià)值就匆匆講解而過(guò)．學(xué)生也是被動(dòng)接受，剛剛領(lǐng)會(huì)題目題意、進(jìn)入狀態(tài)時(shí)，又要馬上進(jìn)入下一例題的思考解答之中．這樣的教學(xué)雖然能夠達(dá)到對(duì)知識(shí)與技能的訓(xùn)練，但是學(xué)生的思維能力卻得不到針對(duì)性的培養(yǎng)．如何在高三物理習(xí)題教學(xué)中融入物理情境、落實(shí)科學(xué)思維的培養(yǎng)是一線教師關(guān)注的熱點(diǎn)問(wèn)題．

下面將通過(guò)對(duì)一道高三模擬題的高度備課引領(lǐng)深度學(xué)習(xí)，促進(jìn)教師、學(xué)生在物理情境中體驗(yàn)解題思路與物理思維方法．

2 案例呈現(xiàn)及設(shè)計(jì)意圖

【例題】(廣州市2022屆高三年級(jí)階段訓(xùn)練第14題)如圖1所示，物塊A靜止在光滑軌道水平段的末端，物塊B從光滑軌道頂端無(wú)初速度釋放，B與A碰撞后A水平拋出．已知A與B開(kāi)始時(shí)的高度差h0=0.20 m，拋出點(diǎn)距離水平地面的高度h=0.45 m．兩物塊落地點(diǎn)距離軌道末端的水平距離s1=0.15 m，s2=0.30 m，重力加速度g=10 m/s2．求：

(1)B撞擊A的速度大小；

(2)A與B的質(zhì)量之比．

圖1 例題題圖

設(shè)計(jì)意圖：該題以經(jīng)典的學(xué)習(xí)探索類(lèi)情境——碰撞模型為情境素材，綜合考查學(xué)生對(duì)力與運(yùn)動(dòng)、動(dòng)量、能量分析等三大觀點(diǎn)的理解和掌握情況．題目基于碰撞實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，設(shè)置不同質(zhì)量下的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，突破典型碰撞過(guò)程中的動(dòng)量守恒．情境設(shè)置由傾斜軌道上的勻變速直線運(yùn)動(dòng)、水平軌道上的勻速直線運(yùn)動(dòng)和平拋運(yùn)動(dòng)3個(gè)過(guò)程，對(duì)規(guī)律理解、模型建構(gòu)、推理論證、質(zhì)疑創(chuàng)新等思維能力要求較高．

在對(duì)運(yùn)動(dòng)過(guò)程的分析中，B與A碰撞后的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)是學(xué)生解題時(shí)產(chǎn)生的思維障礙，判斷B和A的落點(diǎn)位置是解決該題的關(guān)鍵點(diǎn)．下面將例題對(duì)科學(xué)思維的4個(gè)要素考查情況與相應(yīng)的關(guān)鍵問(wèn)題統(tǒng)計(jì)如表1所示．

表1 科學(xué)思維考查指向

3 高端備課引領(lǐng)深度學(xué)習(xí)

3.1 巧設(shè)問(wèn)題情境 引導(dǎo)學(xué)生模型建構(gòu)

問(wèn)題情境是課堂教學(xué)的需要，把一個(gè)復(fù)雜問(wèn)題分解為若干較簡(jiǎn)單的問(wèn)題，按照“情境、問(wèn)題、建模”的程序逐一進(jìn)行，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的模型建構(gòu)能力、加強(qiáng)學(xué)生思維習(xí)慣的養(yǎng)成具有關(guān)鍵性的意義．

情境1：如圖2所示，物塊B以初速度v0沿光滑桌面水平拋出，已知桌面距離地面高度為h，不計(jì)空氣阻力，重力加速度為g．

圖2 情境1示意圖

問(wèn)題：物塊從水平桌面拋出做什么運(yùn)動(dòng)？根據(jù)題設(shè)和已知條件能求出哪些物理量？

模型建構(gòu)：情境1要求學(xué)生能夠建立物塊在水平桌面的勻速直線運(yùn)動(dòng)和離開(kāi)桌面后平拋運(yùn)動(dòng)的物理模型，熟練應(yīng)用平拋運(yùn)動(dòng)規(guī)律，解決熟悉情境中的具體問(wèn)題．分析物塊的運(yùn)動(dòng)，有利于建立運(yùn)動(dòng)與作用觀、能量觀，設(shè)置開(kāi)放式情境問(wèn)題，有助于培養(yǎng)學(xué)生的模型建構(gòu)能力和發(fā)散性思維．

情境2：如圖3所示，物塊A靜止在光滑軌道水平桌面末端，物塊B以初速度v0向前運(yùn)動(dòng)，B與A碰撞后，兩物塊均水平拋出．已知桌面距離地面高度為h，不計(jì)空氣阻力，重力加速度為g．

圖3 情境2示意圖

問(wèn)題：已知物塊A和B落地點(diǎn)距離桌面末端的水平距離分別為s1和s2，物塊A與B的質(zhì)量之比是多少？

模型建構(gòu)：情境2增加了研究對(duì)象，結(jié)合平拋運(yùn)動(dòng)的規(guī)律進(jìn)一步考查碰撞模型，學(xué)生不僅需要具備模型建構(gòu)能力，同時(shí)也要具備一定的理解能力和推理論證能力．碰撞后A和B均向右水平拋出，根據(jù)碰撞的基本規(guī)律可知，B的速度小于A的速度，故落地時(shí)B的距離小于A的距離．

情境3：如圖4所示，物塊A靜止在光滑軌道水平段的末端，物塊B從光滑軌道頂端無(wú)初速度釋放，B與A碰撞后，A水平拋出．已知A與B開(kāi)始時(shí)的高度差為h0，桌面距離地面高度為h，不計(jì)空氣阻力，重力加速度為g．

圖4 情境3示意圖

問(wèn)題：B與A碰撞前的速度多大？碰撞后A和B如何運(yùn)動(dòng)？若兩物塊落地點(diǎn)距離軌道末端的水平距離為s1和s2，則兩物塊的質(zhì)量之比是多少？

模型建構(gòu)：情境3增加了傾斜的直軌道，使得物理情境變得更復(fù)雜，考查牛頓運(yùn)動(dòng)定律和運(yùn)動(dòng)學(xué)公式、動(dòng)量守恒定律、能量守恒定律和平拋運(yùn)動(dòng)規(guī)律．由于前概念的影響，很多學(xué)生不加分析直接認(rèn)為，A與B碰撞后均水平拋出，A落在前面，B落在后面，利用落點(diǎn)距離求出兩滑塊的質(zhì)量之比．

實(shí)際上，碰撞后A與B可能同向運(yùn)動(dòng)，也可能反向運(yùn)動(dòng)；B反向運(yùn)動(dòng)也可能出現(xiàn)兩種情況：沿圓弧返回后，落點(diǎn)可能在A點(diǎn)之前，也可能在A點(diǎn)之后．該題情境真實(shí)，開(kāi)放性大，探究性強(qiáng)，如果能夠設(shè)計(jì)碰撞實(shí)驗(yàn)，用證據(jù)證明結(jié)論，那么學(xué)生的思維瓶頸能夠順利解決．

3.2 創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)情境 促進(jìn)學(xué)生推理論證

物理學(xué)是一門(mén)實(shí)驗(yàn)科學(xué)，利用實(shí)驗(yàn)創(chuàng)設(shè)學(xué)生熟知的、形象直觀的物理情境，不僅能夠激發(fā)學(xué)生的求知、探究欲望，還能引導(dǎo)學(xué)生理解科學(xué)思想和方法，更能培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際、嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)、積極探索的科學(xué)思維習(xí)慣．筆者借助實(shí)驗(yàn)室的平拋運(yùn)動(dòng)演示儀，組織學(xué)生一起實(shí)驗(yàn)探究，形象直觀地解決了落點(diǎn)距離與質(zhì)量的關(guān)系．

3.2.1 猜想假設(shè)

B與A碰撞后，A，B將怎樣運(yùn)動(dòng)？哪個(gè)物塊運(yùn)動(dòng)的距離更遠(yuǎn)？學(xué)生普遍認(rèn)為A和B均向右運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)的水平距離sA>sB．

3.2.2 實(shí)驗(yàn)探究

如圖5所示，將小球B從圓弧頂端靜止釋放，經(jīng)水平軌道后做平拋運(yùn)動(dòng)，讓學(xué)生觀察并記錄落點(diǎn)的位置．本實(shí)驗(yàn)操作簡(jiǎn)單，現(xiàn)象直觀，學(xué)生在直觀感受中構(gòu)建概念，建立規(guī)律．

圖5 實(shí)驗(yàn)?zāi)M情境1

如圖6所示，將小球A放在水平軌道末端，小球B從圓弧頂端靜止釋放，兩球相碰后水平拋出，讓學(xué)生繼續(xù)觀察并記錄兩球落點(diǎn)的位置．

圖6 實(shí)驗(yàn)?zāi)M情境3

當(dāng)用鋼球B與玻璃球A相碰時(shí)，由于mAmB，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，B與A碰后，B反彈，沿水平軌道沖上圓弧，然后從圓弧軌道滑下，再?gòu)乃杰壍罀伋觯Y(jié)果發(fā)現(xiàn)落地時(shí)兩球運(yùn)動(dòng)的水平距離sA>sB．繼續(xù)改變兩小球的質(zhì)量，當(dāng)mA?mB時(shí)，B與A碰后，B仍然反彈，最終向右水平拋出，落地時(shí)兩球運(yùn)動(dòng)的水平距離sA

3次對(duì)比實(shí)驗(yàn)情境制造認(rèn)知沖突，通過(guò)改變小球質(zhì)量進(jìn)行模型變式，考查學(xué)生的科學(xué)探究能力和推理論證能力．

3.2.3 推理論證

(1)物塊B下滑機(jī)械能守恒，由

得

v0=2 m/s

(2)根據(jù)碰撞的基本規(guī)律，可以判斷運(yùn)動(dòng)情況如下：若A與B同向運(yùn)動(dòng)，碰撞后A的速度一定增大，且vA>vB；若反向運(yùn)動(dòng)，碰后B的運(yùn)動(dòng)方向一定發(fā)生改變．B撞擊A后，A，B均會(huì)離開(kāi)軌道做平拋運(yùn)動(dòng)，取水平向右為正方向，豎直方向

若B沒(méi)有反彈，則

vA>vB

由動(dòng)量守恒定律，得

mBv0=mBvB+mAvA

水平方向

s1=vBts2=vAt

解得

若B反彈，則

mBv0=-mBvB+mAvA

當(dāng)vA>|vB|時(shí)，水平方向

s1=vBts2=vAt

解得

當(dāng)vA<|vB|時(shí)，水平方向

s1=vAts2=vBt

解得

3.2.4 質(zhì)疑創(chuàng)新

新課標(biāo)要求“能對(duì)已有結(jié)論提出有依據(jù)的質(zhì)疑，采用不同方式分析解決物理問(wèn)題”[1]，通過(guò)質(zhì)疑創(chuàng)新等思維，引領(lǐng)深度學(xué)習(xí)．本實(shí)驗(yàn)讓學(xué)生從視覺(jué)上感知碰撞后兩球的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)與質(zhì)量有關(guān)，事實(shí)上，學(xué)生很難想到B反彈后會(huì)出現(xiàn)兩種不同的運(yùn)動(dòng)情況．碰撞分為彈性碰撞和非彈性碰撞，有學(xué)生存在疑惑：例題呈現(xiàn)的是哪種碰撞類(lèi)型？3種情境是否滿足能量關(guān)系？

下面對(duì)3種情境進(jìn)行討論.

碰撞前的機(jī)械能為

(1)若A，B同向運(yùn)動(dòng)，且

vA=1 m/svB=0.5 m/s

碰撞后的機(jī)械能為

代入相關(guān)數(shù)據(jù)，得

E1

(2)若A與B反向運(yùn)動(dòng)，且

vA=1 m/svB=0.5 m/s

碰撞后的機(jī)械能為

代入相關(guān)數(shù)據(jù)，得

E2

(3)若A與B反向運(yùn)動(dòng)，且

vA=0.5 m/svB=1 m/s

碰撞后的機(jī)械能為

代入相關(guān)數(shù)據(jù)，得

E3

3種情境從理論上的計(jì)算結(jié)果，均驗(yàn)證

針對(duì)第一種情境，可以進(jìn)一步提出質(zhì)疑，引導(dǎo)學(xué)生創(chuàng)新思維：碰后原來(lái)在前的物塊A速度一定增大，是否一定滿足vA>vB？有沒(méi)有vA

3.3 拓展遷移情境 發(fā)展學(xué)生創(chuàng)新思維

高考對(duì)碰撞模型的考查不僅局限于經(jīng)典模型的提取，還常常涉及到碰撞模型在不同領(lǐng)域的拓展，結(jié)合新穎的題目情境考查學(xué)生的創(chuàng)新能力[3]．通過(guò)情境的轉(zhuǎn)化，引導(dǎo)學(xué)生用建立的模型解釋新的情境，最終實(shí)現(xiàn)模型的類(lèi)比、遷移與應(yīng)用，發(fā)展學(xué)生創(chuàng)新思維．

圖7 拓展情境圖

這是一力電情境綜合題，屬于電磁感應(yīng)現(xiàn)象中的雙棒問(wèn)題．該情境可視為一對(duì)安培力關(guān)聯(lián)的碰撞模型，ab棒相當(dāng)于上述例題情境中的物塊B，cd棒相當(dāng)于例題情境中的物塊A．拓展情境考查了電磁感應(yīng)與電路、磁場(chǎng)、力學(xué)等知識(shí)的綜合應(yīng)用，知識(shí)跨度大，能力要求高，適合考查學(xué)生的思維遷移和創(chuàng)新能力，有助于學(xué)生對(duì)碰撞模型形成全方位、多角度的系統(tǒng)認(rèn)識(shí)．

問(wèn)題1：若金屬導(dǎo)軌足夠長(zhǎng)，則ab棒在進(jìn)入磁場(chǎng)后，兩棒在導(dǎo)軌上做什么運(yùn)動(dòng)？

簡(jiǎn)析：進(jìn)入磁場(chǎng)后，ab棒做變減速運(yùn)動(dòng)，cd棒做變加速運(yùn)動(dòng)，穩(wěn)定時(shí)，兩棒的加速度均為零，以相等的速度勻速運(yùn)動(dòng)，兩棒運(yùn)動(dòng)的v-t圖像如圖8所示．

圖8 速度-時(shí)間圖像

問(wèn)題2：已知ab棒的質(zhì)量為2m，cd棒的質(zhì)量為m，最后兩棒都離開(kāi)導(dǎo)軌落到地面上，若落地點(diǎn)到桌面邊緣的水平距離之比為2∶1，則從cd棒開(kāi)始運(yùn)動(dòng)到離開(kāi)桌面過(guò)程中，流過(guò)cd棒的電荷量是多少？

簡(jiǎn)析：棒ab到達(dá)圓弧底端時(shí)，由動(dòng)能定理得

如圖8所示，根據(jù)v-t圖像可知，離開(kāi)桌面時(shí)ab棒的速度大于cd棒的速度，即

vab>vcd

兩棒離開(kāi)導(dǎo)軌后做平拋運(yùn)動(dòng)的時(shí)間相等，水平位移

x=vt

可知

vab∶vcd=x1∶x2=2∶1

根據(jù)動(dòng)量守恒定律，可知

2mv0=2mvab+mvcd

對(duì)cd棒，由動(dòng)量定理得

由于

解得

問(wèn)題3：兩棒在導(dǎo)軌上運(yùn)動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生的焦耳熱是多少？

簡(jiǎn)析：根據(jù)問(wèn)題2可知

根據(jù)能量守恒定律，兩棒在軌道上運(yùn)動(dòng)過(guò)程產(chǎn)生的焦耳熱為

4 結(jié)束語(yǔ)

在物理習(xí)題教學(xué)過(guò)程中，教師應(yīng)當(dāng)遵循教學(xué)依托情境的原則，通過(guò)創(chuàng)設(shè)合理的新問(wèn)題情境，引導(dǎo)學(xué)生在對(duì)物理問(wèn)題解決的過(guò)程中，經(jīng)歷從模型建構(gòu)意識(shí)的初步形成，到推理論證能力的鞏固深化，直至質(zhì)疑創(chuàng)新品質(zhì)的全面提升，學(xué)生的科學(xué)思維能力得到了螺旋式提升，物理學(xué)科核心素養(yǎng)也在循序漸近中得到培養(yǎng)．